(57)【要約】【目的】複数のガスを均一に混合でき、かつ均一に加熱できるガス反応装置及び表面改質装置を提供する。【構成】複数並列状態で配置され周方向に連通した複数の環状流路と、この環状流路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるように前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口と、異なる環状流路に形成された前記流入口と前記流出口とを連通した複数の連通流路とからなる熱交換流路と、上記熱交換流路に連通された流体の供給流路および排出流路とを備えたガス反応装置及び表面改質装置とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に連通した環状流路と、この環状流路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるように前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口と、環状流路に形成された前記流入口又は前記流出口に連通した複数の連通流路とからなるガス反応流路と、該ガス反応流路に連通された流体の供給流路および排出流路とを備えたガス反応装置。
【請求項２】
複数並列状態で配置され周方向に連通した複数の環状流路と、この環状流路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるように前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口と、異なる環状流路に形成された前記流入口と前記流出口とを連通した複数の連通流路とからなるガス反応流路と、該ガス反応流路に連通された流体の供給流路および排出流路とを備えたガス反応装置。
【請求項３】
ガスの供給流路にタンクを接続した請求項１又は２記載のガス反応装置。
【請求項４】
ガスの排出流路にタンクを接続した請求項１、２又は３記載のガス反応装置。
【請求項５】
ガス反応流路を加熱する加熱手段を備えた請求項１、２、３又は４記載のガス反応装置。
【請求項６】
ガス反応流路にガスを供給する手段を備えた請求項１、２、３、４又は５記載のガス反応装置。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５又は６記載のガス反応装置の排出流路を集積室に接続した表面改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応工程や半導体製造工程等で用いる、ガスの反応装置及び、半導体ウェハーやガラス基板などの表面処理をしたり、部品、工具類の表面処理などに用いる表面改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】  特開２０００−８４３９６号公報
【特許文献２】  特開２００２−３１７１６号公報
単一、あるいは複数の処理ガスを反応させる場合、多くの場合処理ガスを反応炉内に入れて、反応炉内の処理ガスを反応温度まで加熱することにより反応炉内で反応を行っている。
被処理体の表面処理に利用される表面処理装置などは、処理ガスの反応炉を設けて反応炉内の処理ガスを熱電離、放電、レーザ光の照射などの方法により処理ガスを反応させ、反応炉内で被処理体の表面処理している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
反応炉は高温に耐えられる材質で被処理体を入れられる大きさが必要であり、被処理体が大きくなればそのために反応炉の費用が大きくなる。
反応炉で処理ガスを反応させる場合、多くは反応室内の全体の処理ガスを加熱して反応させるので、反応のための消費エネルギーが大きくなる。また処理ガス全体に温度差が生じるので被処理体に温度斑が生じ均一な反応処理が出来にくい欠点があった。
表面改質装置については、被処理体の表面改質用に多く利用される熱電離、放電、レーザ光による方法などは、処理ガスの反応温度が高温であるので、消費エネルギーが大きく被処理体も高温に耐えられる材料に限られる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、周方向に連通した環状流路と、この環状流路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるように前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口と、環状流路に形成された前記流入口又は前記流出口に連通した複数の連通流路とからなるガス反応流路と、該ガス反応流路に連通された流体の供給流路および排出流路とを備えたガス反応装置としたものである。
【０００５】
複数並列状態で配置され周方向に連通した複数の環状流路と、この環状流路における流入口と流出口の位置が周方向にずれるように前記環状流路に形成された複数の流入口及び流出口と、異なる環状流路に形成された前記流入口と前記流出口とを連通した複数の連通流路とからなるガス反応流路と、該ガス反応流路に連通された流体の供給流路および排出流路とを備えたガス反応装置としてもよい。
【０００６】
特許請求の範囲の記載に於いて、流入口、流出口は、それぞれ環状流路に設けられ、該環状流路にガスが流入する口及び該環状流路からガスが流出する口を意味する。実施例においては、この意味での流入口（３１）、流出口（３２）の他に、連通流路へガスが流入又は連通流路からガスが流出する口である連通流路の流入口２８、流出口２９の語も用いている。
【０００７】
ガスの供給流路や排出流路にタンクを接続したり、、ガス反応流路を加熱する加熱手段を設けたり、ガス反応流路にガスを供給する手段を備えたガス反応装置とするとよい。
ガス反応流路に流すガスは、単一又は複数のガスであり、それが反応流路内で反応する。また、ここでいう処理ガスとは常温でのガスに限らず、加熱するとガス化する液化ガスをも含むものである。
【０００８】
これらのガス反応装置の排出流路を集積室に接続した表面改質装置としてもよい。
【０００９】
【作用】
同種あるいは複数の処理ガスをガス反応流路に送る場合には、流路内で高速のガスの衝突乱流運動によって、同種あるいは複数の処理ガス同士が互いに何度も衝突する。ガス中では分子や原子が速い速度で動き回り、互いに何度も衝突を繰り返して不規則に走り回っている。そのとき流路が加熱されると処理ガスも加熱される。
加熱温度を上げると処理ガスは反応化するようになる。
流路内に流す処理ガスの量を多しても、流路内のガスの流速が高速化され、壁面への衝突回数が増え壁面から多く熱を与えられるので、処理ガスの量を増やしても同じ反応流路で効率よく加熱反応をすることが出来る。
環状流路の数を増やすだけで処理ガスの衝突乱流運動の回数を増やすことが出来、より高密度に処理ガスを反応化することが出来る。
更に複数の処理ガスの反応においては、複数の処理ガスが均一に混合撹拌されるため、均一状態に混合された反応ガスの発生が可能になる。
この時処理ガスの反応温度まで流路を加熱すれば、処理ガスの持つ圧力下のもとに大量の均一温度、均一混合された反応ガスを製造することが出来る
反応温度まで加熱された反応ガスは、処理ガスの持つ圧力により排出流路より放出される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
実施例では処理ガスとしてのガスＡはガス種を問わないが一例をあげると、空気、Ｎ２（窒素）、Ｏ２（酸素）、Ｈ２（水素）、Ａｒ（アルゴン）、Ｈｅ（ヘリウム）などの一般ガス、Ｈ２Ｏ（水）、ＣＯ２（炭酸ガス）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＨ３（アンモニア）、ＣＦ４（テトラフルオロメタン）、ＳＦ６（六フッ化硫黄）、ＣＨ４（メタン）、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４  （テトラエトキシシラン）などの液化ガス、およびいずれかの任意の混合ガスでもよい。処理目的に合った処理ガスが上記以外のガスからも自由に選択できる。
【００１２】
図１記載の実施例の場合の利用例としてはＣＨ４（メタン）とＨ２Ｏ（水蒸気）との混合ガスの反応により、ＣＯ（一酸化炭素）とＨ２（水素）の混合ガスの製造が可能になり、ＣＨ４（メタン）の改質が可能になる。Ｈ２（水素）とＣＯ（一酸化炭素）との混合ガスの反応ではＣＨ３ＯＨ（メタノール）の合成が可能になる。
その他種々の処理ガスの組み合わせにより種々の化学反応生成物を製造することが出来る。
ガス反応装置２、マスフロー３は配管により接続されている。ガスＡはマスフロー３により流量調整されガス自身の持つ圧力によりガス反応装置２に送られ、電気ヒータ４により加熱される。電気ヒータ４はヒータ制御部５によって温度制御される。
ガス反応装置２からの反応ガスＡは配管などにより利用個所に供給される。配管は高温に耐えられる金属、セラミックなどで製作される。
【００１３】
図２記載の実施例は、図１記載のガス反応装置で生成された反応ガスを集積室７内の被処理体６の材料表面に供給し、被処理体７表面に薄膜を形成させ、強度（耐摩耗性、硬さ等）や耐環境性（耐食性、耐熱性等）を向上させたり、機能（導電性、絶縁性、磁性等）を付与することが出来るものである。利用例としては、Ｎ２（窒素）の反応ガスまたは、Ｎ２（窒素）とＮＨ３（アンモニア）の混合した反応ガスにより被処理体の窒化膜の形成が可能になり、部品、工具類の耐強度性を持たせることが出来る。また半導体ウェハーの窒化膜形成などに利用することが出来る。
Ｎ２（窒素）やＡｒ（アルゴン）などの反応ガス、または、Ｎ２（窒素）、Ａｒ（アルゴン）、ＣＦ４（テトラフルオロメタン）、ＳＦ６（六フッ化硫黄）などのいずれかの混合した反応ガスにより、被処理体の表面洗浄が可能になり部品、工具類の表面洗浄をすることができる。また、半導体ウェハーやガラス基板などの表面洗浄なども可能となる。
また、Ａｒ（アルゴン）やＣＨ４（メタン）などの混合ガスの反応ガスを用いることにより、部品、工具類の浸炭が可能になり耐磨耗、表面硬化が可能になる。
Ｈ２Ｏ（水）、あるいはＨ２Ｏ（水）とＨ２（水素）、水（Ｈ２Ｏ）とＯ２（酸素）の混合ガスなどを加熱することにより発生する水蒸気からは、酸化膜の生成が可能になり、半導体用のウェハーなどの酸化膜成形などに利用される。
Ｓｉ（Ｃ２Ｈ５Ｏ）４（テトラエキトシシラン）の反応ガスからは、半導体用のウェーハーなどに保護膜、絶縁膜などの機能を持った薄膜を成形させることが出来る。
ガス反応装置２、マスフロー３は配管により接続されている。ガスＡはマスフロー３により流量調整されガス自身の持つ圧力によりガス反応装置２に送られ、電気ヒータ４により加熱される。電気ヒータ４はヒータ制御部５によって温度制御される。
ガス反応装置２で反応温度まで加熱された反応ガスＡは、ガス自身の持つ圧力により配管を通って集積室７に供給され、集積室７に設定された被処理体６まで送られる。配管は高温に耐えられる金属、セラミックなどで製作される。集積室７では、特にガスの加熱を必要としないため、そのままで、被処理体６の表面改質が可能になる。このため、被処理体６は低温度での表面改質が可能である。また、集積室７は容器１のような耐高温の材質でなくても製作することが可能になり、真空度を保持する必要は必ずしもない。反応炉を必要としないので、同時に反応炉で消費するエネルギーを不用とする。
このフローでは開放系での表面改質処理が可能になり、被処理体６の大気圧下での連続処理が可能になる。
被処理体６の表面処理が終わった後の反応ガスはガス自身の持つ圧力により集積室７の外へ排気される。
【００１４】
図１、図２いずれの実施例においても、ガス反応装置２には、あとで詳述する図５から図８に記載されたようなガス反応流路が設けられている。
ガスＡは、ガス反応装置２の供給流路２２より供給側のタンク２６に入る。タンク２６内で衝突したガスＡは、タンク２６に接続された複数の連通流路２５の流入口２８を通って該連通流路の流出口２９より一段目の環状流路２４の流入口３１から該環状流路２４に入り、環状流路２４の壁面に衝突し、又異なる流入口３１から入ったガスＡ同士が衝突する。
同様に高速のガスは、一段目の環状流路２４の流出口３２から、該環状流路２４に接続された複数の連通流路２５の流入口２８を通って該連通流路の流出口２９より２段目の環状流路２４の流入口３１を通って該環状流路２４に入り、環状流路２４の壁面に衝突するとともに異なる流入口から入ったガスＡ同士が衝突する。
これを同様に繰り返して最終の環状流路２４に接続された複数の連通流路２５の流入口２８を通って該連通流路の流出口２９よりタンク２７に入る。タンク２７の内面に衝突したガスＡは排出流路２３より排出される。
容器１内に設置されたガス反応装置２を電気ヒータ４などにより加熱すると、流路２１内のガスＡはガスの衝突乱流運動により均一に加熱されるので、均一混合、均一温度の大量の反応ガスを効率よく発生させることが出来る。電気ヒータ４はヒータ制御部５により反応に適正な温度に制御される。
ガス反応装置２及び容器１は電気ヒータ４の高温に耐えられる金属、セラミックなどで製作される。
環状流路の段数、電気ヒータの温度調整をすることでガスＡの反応度を制御できる。
電気ヒータ４の代わりに石油、天然ガスなどのバーナーによる火力を使用してもよい。また特に反応ガスの温度の制御を必要としない場合は、エンジン、燃料電池などからの各種排熱も利用できる。
【００１５】
図３記載の実施例は、図２記載の実施例において、集積室７を複数設置した以外は図２記載の実施例と同様である。
ガス反応装置２の特性により大量の反応ガスの発生が可能であるので、一つのガス反応装置２で集積室別に同種あるいは別種の被処理体の表面改質処理などが可能になる。
【００１６】
図４記載の実施例は、図２記載の実施例において、被処理体６を利用して集積室７を省略しても被処理体６の表面改質を可能にするシステムである。１例として単数あるいは複数の配管などの被処理体６の内表面に、ガス反応装置２からの反応ガスを直接供給して管内の表面改質を行い、必要とする部分だけの強度（耐摩耗性、硬さ等）や耐環境性（耐食性、耐熱性等）を向上させたり、機能（導電性、絶縁性、磁性等）を付与することが出来る。この方法により集積室７を不用とするばかりか、機能を必要とする部分だけに選択的に表面改質をさせることが可能になる。
【００１７】
図５は本発明の以上の実施例の装置で使用するガス反応流路を配管で製作した場合の斜視図である。
【００１８】
管材は、たとえば金属、セラミックなどで製作される。
【００１９】
ガス反応装置２は、特開平７−９４１６２号公開公報に開示されている熱交換装置と同様の流路を持つものを用いる。
本実施例のガス反応装置２は、ガス反応流路２１、これに処理ガスを供給する供給管２２、排出する排出管２３とからなっている。ガス反応流路２１は環状流路２４と連通流路２５、供給流路２２からの処理ガスを連通流路２５に導入するためのタンク２６、連通流路２５からの処理ガスを排出流路２３に導入するためのタンク２７からなっている。各環状流路には、環状流路の流入口３１、流出口３２が設けられ、該流入口３１には、連通流路の流出口２９が接続され、環状流路の流出口３２には、連通流路の流入口２８が接続されている。
環状流路は１以上の任意の数でよい。連通流路は２以上の任意の数でよい。本発明の実施例においては、図５記載のものでは、環状流路は５、連通流路は６のものを使用している。
図６記載のものでは、環状流路は２、連通流路は６のものを、図７記載のものでは、環状流路は１、連通流路は４のものを使用している。
【００２０】
図６は本発明の一実施例におけるガス反応装置で使用するガス反応流路をブロック化して製作したものを示す図である。
図では部材５１から部材５８へと順に結合して反応流路を製作する。部材５４、５６は図のような円筒状の部材であるが、隣接する部材５５、５７の中央に凸部が設けられており、これと他方の隣接する部材によって環状流路２４、２４が形成されるようになっている。また部材５３、５５、５７には、流入口２８、流出口２９を有する連通流路２５が設けられている。さらに部材５７、５８で供給側のタンク２６が、部材５１、５２、５３で排出側のタンク２７が形成される。部材５３の連通流路２５の流入口２８は、部材５３、５４、５５で形成される環状流路２４の流出口３２となり、部材５５の連通流路２５の流出口２９は、該環状流路の流入口３１となるものである。また、部材５５の連通流路２５の流入口２８は、部材５５、５６、５７で形成される環状流路２４の流出口３２となり、部材５７の連通流路２５の流出口２９は、該環状流路の流入口３１となるものである。
なお当然であるが、供給側と排出側を逆にしてもよい。
【００２１】
図７は本発明の一実施例におけるガス反応装置で使用するガス反応流路を一部を管、一部をブロック化して製作したものを示す図である。
図７のものでは部材５１から部材６０へと順に結合して衝突乱流流路を製作する。部材５６は図のような円筒状の部材であるが、隣接する部材５７の中央に凸部が設けられており、これと他方の隣接する部材５５によって環状流路２４が形成されるようになっている。また部材５３、５５、５７、５９には、連通管との接続孔３０が設けられている。
さらに部材５９、６０で供給側のタンク２６が、部材５１、５２、５３で排出側のタンク２７が形成される。部材５４と部材５８は流入口２８、流出口２９を有する連通流路２５となる。
部材５４の接続口３０は、連通流路２４の流出口３２となり、部材５７の接続口３０は、連通流路２４の流入口３１となるものである。
なお当然であるが、供給側と排出側を逆にしてもよい。
図６、７記載の反応流路を形成する方法としては、セラミック、金属などの材質内に流路を彫り込んだりする方法、金属板を絞ったり、プレスしたりする方法、鋳型などを利用して鋳物、ガラスなどの流動体を流路の空間部だけを除いて冷却して固めたりする方法、セラミックなどの流動体を流路の空間部だけを除いて、外部から押し固めて乾燥させたり、焼結したりして固化することによって流路を形成する方法などがある。
また図７記載のものでは、一部には管材を利用し連通流路を容易に製造できるようにしている。これによってガス反応流路を大量生産し装置を低コスト化することが可能になる。同時にガス反応流路を小型化することで装置を小型化することが可能になる。また全部をブロック化した部材を用いる場合に比べて、熱交換性能を保ったまま小形で量産が容易なものが作成可能である。
【００２２】
【発明の効果】
上記のように構成された本発明によれば、反応温度まで加熱されたガス反応流路に処理ガスを流す構成だけで、均一温度の反応ガスを製造することが出来る。さらに複数の処理ガスを一つのガス反応流路内に送る構成では、均一に混合された均一温度の反応ガスを製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の１実施例のガス反応装置を示すシステム図である。
【図２】図２は本発明の１実施例のガス反応装置及び薄膜形成装置を示すシステム図である。
【図３】図３は本発明の他の実施例のガス反応装置及び薄膜形成装置を示すシステム図である。
【図４】図４は本発明の他の実施例のガス反応装置及び薄膜形成装置を示すシステム図である。
【図５】図５は本発明の実施例における装置で使用するガス反応流路を配管で製作した場合の斜視図である。
【図６】図６は本発明の実施例における装置でガス反応流路をブロック化して製作した場合の斜視図である。
【図７】図７は本発明の実施例における装置で使用するガス反応流路を一部には管材を利用し、一部をブロック化して製作した場合の斜視図である。
【図８】図８は図５記載のガス反応流路の環状流路と連通流路の接続部分を分解した状態を示す斜視図である。
【図９】図９は、図２のフローに於いてＯ２（酸素）とＨ２Ｏ（水）との混合ガスを流量計３から反応装置２に送り、ヒータ制御部５により電気ヒータ４を制御することにより、反応温度まで加熱し発生した過熱蒸気を集積室７に送る場合の温度特性図である。各反応温度まで加熱された過熱蒸気は、集積室７内で被処理体６としての半導体用のウェハーの酸化膜成用などに利用される。ここで発生する過熱蒸気は反応ガスＡに相当する。
【符号の説明】
１  容器
２  ガス反応装置
３  マスフロー、流量計など
４  電気ヒータ
５  ヒータ制御部
６  被処理体
７  集積室
２１  ガス反応流路
２２  供給流路
２３  排出流路
２４  環状流路
２５  連通流路
２６  供給側のタンク
２７  排出側のタンク
２８  連通流路の流入口
２９  連通流路の流出口
３０  接続口
３１  環状流路の流入口
３２  環状流路の流出口
５１  部材
５２  部材
５３  部材
５４  部材
５５  部材
５６  部材
５７  部材
５８  部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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